El mundo se sumerge en las aterradoras sombras de la Segunda Guerra Mundial, y dos jóvenes vidas, aparentemente distantes, comienzan a girar por caminos convergentes. Marie-Laure LeBlanc, una niña francesa ciega, vive en París, su mundo iluminado por los intrincados modelos de madera que su padre, maestro cerrajero del Museo de Historia Natural, fabrica minuciosamente para ella. A través de estas ciudades en miniatura, aprende a moverse por las calles, trazando con la punta de los dedos cada callejón y cada bulevar, construyendo un paisaje vívido en su mente. Su padre también le enseña sobre el Mar de las Llamas, un legendario diamante maldito escondido en el museo, del que se rumorea que concede la inmortalidad a quien lo posee, pero a un precio terrible para sus seres queridos.
A cientos de kilómetros de distancia, en un sombrío orfanato alemán, Werner Pfennig y su hermana pequeña, Jutta, encuentran consuelo y asombro en una radio estropeada. Werner, un prodigio de la electrónica, puede conseguir emisiones de tierras lejanas, llenando sus estrechas habitaciones con música, noticias y, lo más importante, la voz de un científico francés que habla de la luz y de las ondas invisibles que atraviesan el aire. Esta voz enciende una profunda curiosidad en Werner, un anhelo de conocimiento que trasciende el sombrío destino de las minas que aguarda a la mayoría de los huérfanos de su pueblo.
A medida que el régimen nazi estrecha su cerco, el extraordinario talento de Werner con las radios se hace notar, lo que le lleva a una academia militar de élite. Allí es entrenado para rastrear las transmisiones enemigas, y su agudo oído se convierte en un arma en la escalada del conflicto. Es testigo de la brutalidad y el adoctrinamiento, luchando con los compromisos morales que exige su nuevo camino, aunque su mente científica sigue cautivada por las corrientes invisibles de las ondas. Mientras tanto, Marie-Laure y su padre huyen de París justo antes de la ocupación alemana, llevando consigo no sólo sus recuerdos, sino también el verdadero Mar de las Llamas, que les fue confiado para su custodia. Se refugian con su excéntrico tío abuelo Etienne en la antigua ciudad amurallada de Saint-Malo, un lugar que pronto se convertirá en un foco de la guerra.
La vida en Saint-Malo se convierte en una precaria danza entre la existencia cotidiana y los actos de silencioso desafío. El padre de Marie-Laure sigue construyendo maquetas, ahora de la propia Saint-Malo, y esconde el preciado diamante en una de las réplicas de la casa de Etienne. Cuando detienen a su padre y lo llevan a un campo de prisioneros, Marie-Laure se queda con Etienne, un hombre solitario atormentado por sus experiencias pasadas en la Primera Guerra Mundial. Junto con Madame Manec, una mujer feroz que organiza los esfuerzos de la resistencia local, empiezan a utilizar el radiotransmisor oculto de Etienne para emitir mensajes ilegales para las fuerzas aliadas, un peligroso secreto que se mantiene vivo en el corazón de la ciudad ocupada.
Pasan los años y los caminos de Marie-Laure y Werner se acercan cada vez más. Werner, ahora un joven soldado, forma parte de una unidad encargada de localizar a los locutores de la resistencia, que se desplaza por una Europa devastada por la guerra. Sus habilidades son inestimables, pero los horrores que presencia y en los que participa pesan sobre su conciencia. Se aferra al recuerdo de las emisiones que una vez escuchó con Jutta, un débil eco de un mundo diferente, de un yo diferente. Su viaje le lleva finalmente a Saint-Malo, justo cuando las bombas aliadas comienzan a caer sobre la ciudad, convirtiendo sus antiguas piedras en polvo.
En medio del caos y la destrucción de la ciudad sitiada, sus historias acaban por entrelazarse. Marie-Laure, sola en casa de su tío abuelo, se encuentra atrapada, con el Mar de las Llamas aún oculto dentro de la maqueta. Werner, también atrapado en un sótano derruido con su unidad, oye una melodía familiar, una transmisión fantasmal de una radio oculta: el mismo programa científico que tanto le gustaba de niño, emitido por Marie-Laure y Etienne. Este sonido, un faro en la oscuridad, enciende algo dentro de él, un destello de la humanidad que creía perdida.
El sargento mayor alemán Reinhold von Rumpel, un hombre devastado por el cáncer y obsesionado con encontrar el legendario diamante del Mar de las Llamas, también llega a Saint-Malo, creyendo que está en posesión de Marie-Laure. Registra meticulosamente la casa de Etienne, y su avaricia contrasta con la resistencia y el tranquilo coraje de Marie-Laure. Werner, guiado por la señal de radio y una desesperada necesidad de redención, toma una decisión que desafía sus órdenes, arriesgándolo todo para salvar a la chica ciega de la que sólo ha oído hablar, una decisión que alterará para siempre la trayectoria de la vida de ambos entre las ruinas de la ciudad.
